O documento descreve diferentes métodos para medir rotação e torque, incluindo tacômetros mecânicos, elétricos e ópticos, e métodos para medir torque como freios de Prony e hidráulicos, transdutores de torque e dinamômetros elétricos.

1. Capítulo 6 - Medição de
rotação e torque

2. 6.1 - Medição de rotação
Existem basicamente três tipos principais de tacômetros:
• mecânicos
• eletromagnéticos
• ópticos.
Os instrumentos usados para medir a velocidade
angular de eixos rotativos são chamados tacômetros.
Uma das principais diferenças entre estes é a potência
retirada do eixo que gira.

3. A velocidade angular, é a razão entre o
deslocamento angular e o tempo decorrido neste
deslocamento:
ω = rotação [rad/s]
n = rotação em [RPM]
n = rotação em [RPS]
Relação entre rotação e frequência
ω = 2πf [rad/s]
f = frequência [Hz]

4. 6.1.1 - Tacômetros mecânicos
A figura ilustra uma
das formas utilizadas como
tacômetro, uma versão
para utilização com eixos
verticais.
As duas massas (A e
B) são ligadas a braços
articulados que giram com
o eixo. Os braços sofrem a
ação de uma força, o peso
do colar, que tende a
estira-los e os mantém
próximos do eixo.

5. 6.1.2 – Tacômetros elétricos
6.1.2.1 - Tacogerador
Ímã permanente
Bobina rotativa
N S
É essencialmente um
pequeno gerador de eletricidade,
quanto mais rápido gira a bobina,
maior a fem nela induzida
Os tacogeradores podem ser
utilizados para medições
diretas de rotações de eixos
giratórios até cerca de 6 000
rpm, com uma precisão de,
em geral, de 2%.
Se as conexões elétricas
forem feitas à bobina e a saída
levada a um voltímetro, então a
leitura do voltímetro estará
relacionada à velocidade angular da
bobina.

6. 6.1.2.1 - Tacogerador

7. 6.1.2.2 - Tacômetro de corrente parasita
Quando há movimento relativo entre um imã e um
condutor, são induzidas correntes no condutor. O efeito é
chamado de indução eletromagnética.
Se um imã permanente é ligado ao eixo rotativo
(que se deseja medir a rotação) e gira próximo a
um anel de alumínio (condutor), são induzidas
correntes parasitas (ou de Foucault) no alumínio.

8. As correntes parasitas que fluem no anel de
alumínio produzem seu próprio campo magnético, sendo
que o campo magnético induzido tem direção tal que faz o
anel de alumínio girar e seguir o imã permanente rotativo.
No arranjo mostrado na figura,
o anel de alumínio é fixado em
uma das extremidades de uma
mola espiral onde se coloca o
ponteiro indicador.
Como resultado, o anel de alumínio age sobre a mola de
tal maneira que o torque de reação da mola se opõe ao torque
produzido pela iteração entre o imã permanente rotativo e as
correntes parasitas no anel de alumínio, fazendo com que o
ponteiro se posicione sobre a escala, indicando a rotação.

9. Figuras de tacômetros de correntes parasitas

10. 6.1.2.3 - Tacômetro indutivo
Uma roda dentada
metálica é presa ao eixo rotativo.
Quando os dentes da roda se
movem à frente do “pick-up
magnético” é produzida uma
variação no fluxo magnético no
núcleo da bobina, e isso resulta
na indução de uma f.e.m. (tensão
variável) no circuito da bobina.
A freqüência desses pulsos – isto é, o numero de pulsos
produzidos por segundo – está relacionada a rotação.
Cada dente que passa na frente do pick-up magnético
resulta em um pulso de voltagem na bobina.

11. pick-up magnético
Um circuito eletrônico apropriado converte este sinal
em frequência (trem de pulsos) em uma indicação digital da
rotação da roda.

12. 6.1.2.4 - Tacômetro fotoelétrico
O sistema de medição tem assim um sensor,
conectado através de um condicionador de sinais
(amplificador e conversor analógico digital) a um mostrador
digital.
Um disco pulsador é
associado ao eixo e, quando este
gira, o feixe de luz é “cortado”.
Isso faz a célula fotoelétrica
detectar pulsos de luz, estando a
freqüência na qual recebe os pulsos
relacionada a rotação do eixo.

13. Não aplicam nenhuma carga sobre o eixo (exceto
a inércia do disco) pois não há conexão física entre o
sistema de medição e o eixo.
Este tipo de tacômetro pode ser classificado como
tacômetro de efeito óptico.

14. 6.1.3 – Tacômetros ópticos
6.1.3.1 - Tacômetro de laser refletido
De maneira semelhante ao tacômetro fotoelétrico,
um circuito conversor do instrumento portátil, permite a
indicação digital da rotação medida.
Este tipo de tacômetro portátil utiliza uma fonte de
luz laser sobre um alvo reflectivo sobre o objeto que se
deseja medir a rotação.
A reflecção do facho de luz laser sobre sua célula
fotoelétrica gera um sinal em frequência a partir desta
célula que está relacionada com a frequência ou rotação do
objeto.

15. Figuras de tacômetros de laser refletido

16. 6.1.3.2 - Estroboscópio
Se a freqüência da emissão da luz for a mesma que a
freqüência do eixo, a marca aparentará estar estacionária,
porque o eixo e sua marcação somente serão iluminados
quando a marca estiver na mesma posição a cada rotação.
O estroboscópio é uma luz intermitente, cuja
freqüência é conhecida.
No eixo onde é realizada a medida de rotação faz-se
uma marca que deve ser observada pela incidência da luz
intermitente a cada rotação.

17. Isso é devido ao fato do eixo poder fazer qualquer
numero de rotações entre os lampejos, e a marca parecerá
estar estacionária, desde que, no intervalo entre os lampejos,
o eixo faça um numero inteiro de rotações completas.
Quando a marca parecer mover-se, será devido ao fato
de que a freqüência do estroboscópio é diferente da
freqüência de rotação do eixo.
Assim uma medição de freqüência da luz intermitente
fornece uma medida da freqüência de rotação do eixo.
A marca no eixo parecerá estacionária quando a
freqüência de rotação do eixo for um múltiplo inteiro da
freqüência da luz.

18. Figuras de estroboscópios como tacômetros

19. Figuras de estroboscópios como tacômetros

20. Outras aplicações para estroboscópios
- Medição do número de oscilações;
- Usado para detectar resvalamento (choques intermitentes);
- Análise de movimento por congelamento.

21. Comparação entre os tipos
•Tacogerador: pouca carga imposta ao
eixo; faixa de até 6.000 [RPM]; fornece
exposição à distancia; precisão similar ao
tacômetro de corrente parasita;
relativamente barata.
•Tacômetro de captação de sinal digital:
pouca carga imposta ao eixo; faixas de até
100.000 rpm; fornece exposição à
distancia; pode ser preciso; não é barato.
•Estroboscópio: nenhuma carga imposta ao
eixo; faixa geralmente de até 18.000 rpm;
o eixo tem que ser observado; muito
preciso.

22. 6.2 - Medição de torque

23. 6.2.1 - Freio Prony
Um volante fixo ao eixo circundado por sapatas,
conectadas a um braço cuja extremidade se apóia sobre
um medidor de força.
O volante acionado
pela máquina motora,
tem o seu movimento
restringido pelo atrito
aplicado pelas sapatas,
que transmite o esforço
ao braço apoiado sobre
o medidor.

24. O freio de Prony apresenta vários inconvenientes
operacionais, destacando-se o fato de manter a carga
constante independente da rotação empregada.
A partir das leituras de força, calcula-se o torque
despendido pelo motor.

25. 6.2.2 - Freio hidráulico
O freio hidráulico possui um rotor aletado que gira no
interior de uma carcaça com estatores também aletados.
Pela ação centrífuga, a
água é acelerada e lançada
para a saída, formando um
anel no interior da câmara do
rotor.
A água entra na câmara
do rotor axialmente, ao
centro.

26. A energia mecânica fornecida pela máquina motora
em ensaio é absorvida e convertida em calor no escoamento
da água entre as aletas do rotor e dos estatores.
O torque resultante aplica uma resistência ao
movimento de rotação do rotor e tende a girar a carcaça no
mesmo sentido da máquina em teste.
Este esforço é transmitido, por meio de um braço, a
um medidor de força instalado a uma distância fixa da linha
de centro do freio.

27. Exemplos construtivos de
freios hidráulicos

28. Bancada de testes de turbina hidráulica
Freio hidráulico
Turbina

29. 6.2.3 – Transdutores de torque
Os transdutores de torque permitem a medição
direta de torque em um eixo, sendo estes medidores
instalados entre a carga mecânica e o motor (elemento
primário de potência), conforme ilustra a figura.

30. Devido a esta características de montagem, os
transdutores são basicamente utilizados no desenvolvimento
de máquinas rotativas em laboratórios, tais como,
ventiladores, bombas, turbinas e etc.
Existem basicamente dois tipos de transdutores de
torque, os que utilizam strains gages e os que utilizam
sensores de deslocamento indutivos.

31. De maneira semelhante aos transdutores de força
(células de carga), os transdutores de torque podem
utilizam as várias configurações possíveis de montagem de
strain-gages fixos ao eixo onde se está medindo o torque.
Normalmente, são utilizados quatro strain-gages
dispostos em 45º , como mostra a figura.

34. 6.2.4 - Dinamômetro elétrico
Tem a vantagem de poder ser utilizado como motor
elétrico para medição de potência de atrito da máquina em
prova. Tem custo elevado e sua utilização só se justifica em
casos especiais.
Dinamômetro elétrico é um gerador elétrico de
corrente contínua, que acionado pela máquina em teste
(motor de combustão, turbina hidráulica, e etc.) produz
energia elétrica, a qual será consumida por uma carga
variável (cuba eletrolítica ou resistores), e devido a
construção em balanço da sua carcaça permite, ao mesmo
tempo, a medição de torque através de contra-pesos ou
células de carga.